resumen tema 2: energías no renovables

Departamento de Tecnología.
IES Nuestra Señora de la Almudena
Mª Jesús Saiz
RESUMEN TEMA 2: ENERGÍAS NO RENOVABLES
Las energías no renovables son aquellas cuya materia prima nos proporciona la naturaleza,
pero cuyas reservas son limitadas y un consumo excesivo puede llegar a agotarlas.
Sus características principales son:
 Generan emisiones y residuos que degradan el medioambiente.
 Son limitadas.
 Provocan dependencia exterior encontrándose exclusivamente en determinadas
zonas del planeta.


Las energías no renovables pueden ser agrupadas en dos grandes grupos:
Combustibles Fósiles: carbón, petróleo y gas natural
Energía nuclear
Combustibles fósiles: CARBÓN
El carbón es un combustible sólido, de color negro compuesto fundamentalmente por carbono.
Lleva además H, N, O, etc. en pequeñas proporciones. Procede de la fosilización de restos
orgánicos vegetales.
Tipos de carbón:

Carbón mineral : antracita, hulla, lignito y turba
Tipo
ANTRACITA
HULLA
LIGNITO
TURBA
% Carbono
95 %
85 %
75 %
50 %
8000
7000
6000
2000
Era primaria
Era primaria
Era secundaria
Muy reciente
Poder calorífico
(Kcal/kg)
Antigüedad

Carbón Artificial: carbón vegetal y carbón de coque.
El carbón vegetal se obtiene quemando madera. Actualmente sólo se utiliza
en barbacoas.
El carbón de coque se obtiene a partir del carbón de hulla y se utiliza en la
fabricación del acero.
PRODUCCIÓN DE ANTRACITA POR PAISES
EN 2007 (en millones de toneladas)
RESERVAS DE CARBÓN (en billones de
toneladas)
No solamente existen grandes reservas, sino que también están geográficamente esparcidas en
más de 100 países en todos los continentes. La abundancia de las reservas constituye una
disponibilidad de suministro durante mucho tiempo. Las actuales de reservas de carbón son
aproximadamente 4 veces las reservas de petróleo
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Aplicaciones del carbón:

Fabricación del carbón de coque: para utilizar como combustible y reductor
de óxidos metálicos en los hornos altos para fabricación de acero

Brea o alquitrán: se emplea fundamentalmente para pavimentar
carreteras (asfalto) y como impermeabilizante de tejados. También se
obtienen aceites utilizados en medicamentos, colorantes, insecticidas y
otros.

Producción de electricidad: centrales térmicas.
Una central térmica es una instalación empleada para la generación de
energía eléctrica a partir de la energía liberada en forma de calor,
normalmente
mediante
la
combustión
de combustibles
fósiles como petróleo, gas natural o carbón. Este calor es empleado por un
ciclo termodinámico para mover un alternador y producir energía eléctrica.
Si la central térmica es de carbón, éste se traslada por medio de una cinta
transportadora hasta la tolva, de donde se pasa a un molino en el que se
tritura. A continuación se introduce en la caldera, donde se quema para
obtener energía calorífica. El calor generado se transmite al agua que circula
por una serie de tuberías. El agua se transforma en vapor a gran presión. El
vapor generado se dirige hacia las turbinas haciéndolas girar a gran
velocidad (se transforma la energía térmica en energía mecánica de rotación).
El generador de corriente alterna transforma el giro de la turbina en energía
eléctrica.
En esta etapa final, el vapor se enfría, se condensa y regresa al estado
líquido. La instalación donde se produce la condensación se llama
condensador. El agua líquida forma parte de un circuito cerrado y volverá
otra vez a la caldera, previo calentamiento. Para refrigerar el vapor se recurre
a agua de un río o del mar, la cual debe refrigerarse en torres de
refrigeración.
Los humos procedentes de la combustión salen por la chimenea, previo paso
por un precipitador que se encarga de retener las partículas sólidas.
La corriente eléctrica se genera a unos 20000 V de tensión y se pasa a los
transformadores para elevar la tensión hasta unos 400000 V, para su
traslado hasta los puntos de consumo.
Este esquema es válido también para las centrales eléctricas a partir de fuelóleo
(petróleo) o gas natural
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Carbón y medio ambiente:

Efecto invernadero: emisión de dióxido de carbono a la atmósfera. Impide
que los rayos solares infrarrojos salgan de la atmósfera, lo que supone un
aumento de la temperatura de la tierra.

Lluvia ácida: emisión de azufre y óxidos de Nitrógeno a la atmósfera, que
reaccionan con el vapor de agua transformándose en ácido sulfúrico y ácido
nítrico, que caerán en forma de lluvia afectando a los ecosisitemas.

Contaminación de ríos y suelos

Deterioro de los monumentos fabricados en piedra (mal de piedra)
Ejercicios:
1. Calcula la cantidad de carbón de antracita que es necesario aportar diariamente a una central
térmica clásica si su rendimiento es del 32% y tiene una potencia de 53 MW..
Pc (antracita) = 8000 Kcal/Kg
2. Calcula la cantidad de m3 de gas natural que es necesario quemar para convertir el carbón de
hulla en carbón de coque, si se necesita en este proceso proporcionar una energia de 2 . 108
Kcal y el rendimiento es del 95%.
Pc (gas natural) = 8540 Kcal/m3
3. En una central térmica para subir el carbón al molino hay que ascender 500 m y se emplea una
locomotora de vapor. El peso que transporta la locomotora es de 40 t. Determina la cntidad
mínima de carbón de antracita que es necesario quemar si el rendimiento es del 10%
4. Suponiendo que el carbón consumido en España en el año 2010 fue de 24,1 millones de
toneladas, que su poder calorífico medio fue de 7000 Kcal/Kg y que las centrales tuvieron un
rendimiento medio del 34%. Calcula la energía eléctrica producida en MWh.
Combustibles fósiles: PETROLEO
El petróleo es
una mezcla homogénea de
compuestos
orgánicos,
principalmente hidrocarburos (carbono e hidrógeno), y pequeñas proporciones
de nitrógeno, azufre, oxígeno y algunos metales. Es .insolubles en agua. También es
conocido como petróleo crudo o simplemente crudo.
Se presenta de forma natural en depósitos de roca sedimentaria y sólo en lugares en
los que hubo mar.
Origen del petróleo:
Procede de la fosilización de restos de plantas y animales (sobre todo, plancton
marino), sometidos a altas temperaturas y a grandes presiones de las capas de la
tierra.
Es un compuesto líquido que se filtra a través de rocas porosas hasta encontrar
una roca impermeable (arcilla) que lo retiene. En la parte superior del depósito de
petróleo siempre aparece una masa de gas natural.
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Roca
impermeable
Pozos y extracción: una vez localizados los pozos de petróleo se procede a la
perforación mediante tubos perforadores.
Si el tubo perforador llega a la bolsa de gas y se detiene, sin llegar a la capa de
petróleo, sube un chorro violento de gas.
Si el tubo perforador penetra en el petróleo, éste asciende empujado por el gas y
el agua comprimida. A medida que sale el petróleo, va disminuyendo la presión y
puede ser necesario introducir bombas para poder subir el petróleo a la superficie.
Destilación fraccionada
El petróleo natural no se usa como se extrae de la naturaleza
si no que se separa en los diferentes hidrocarburos que lo
forman.
El petróleo natural se introduce en un horno (torre de
refinamiento) a una temperatura de 400ºC. Se introduce en la
parte baja de la torre; todas las sustancias que se evaporan a
esa temperatura pasan como vapores a la cámara superior
algo más fría y en ella se condensan las fracciones más
pesadas que corresponden a los aceites. Continúan a la
próxima, cámara aquellas que aun a esa temperatura son
gases para condensar parcialmente en la fracción de
combustibles Diesel. Este proceso de condensación en
fracciones de acuerdo al punto de ebullición se continúa
ascendentemente hasta que al final por la parte superior salen los gases que no
condensan a temperatura ambiente.
De este proceso se obtienen las fracciones:
- Gases
- Gasolina
- Queroseno
Alquitran,
- Combustibles Diesel
parafinas
y aceites;
- Aceites lubricantes
12%
- Parafina y asfalto
Butano y
propano;
2%
Otros; 6%
Gasolina;
20%
Gasoleo y
fueloleo;
37%
Querose
no; 23%
Fracciones del petroleo
Craqueo: cuando la necesidad de un producto es mayor que la de otro, como es
el caso de la gasolina, se utiliza la técnica del craqueo.
El craqueo consiste en calentar un hidrocarburo por encima de su temperatura de
ebullición para romper sus moléculas y obtener otras moléculas de menor peso
que coincidan con los hidrocarburos de mayor demanda.
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Aplicaciones:
HIDROCARBUROS
Butano y propano
Gasolina
Queroseno
Gasóleo
Fuelóleo
Aceites
Alquitrán
APLICACIONES
Combustible de uso doméstico (bombonas)
Combustible para motores de vehículos
Combustible para motores de aviación
Combustible par motores diesel y calefacciones
Combustible en centrales térmicas
Engrasado de piezas y maquinarias
Pavimentos de carreteras e impermeabilizantes
PRODUCCIÓN DE
POR PAISES (en %)
PETROLEO
Petróleo y medio ambiente:

Efecto invernadero: emisión de dióxido de carbono a la atmósfera. Impide
que los rayos solares infrarrojos salgan de la atmósfera, lo que supone un
aumento de la temperatura de la tierra.

Lluvia ácida: emisión de azufre y óxidos de Nitrógeno a la atmósfera, que
reaccionan con el vapor de agua transformándose en ácido sulfúrico y ácido
nítrico, que caerán en forma de lluvia afectando a los ecosisitemas.

La liberación accidental o intencionada contamina suelo, agua, aire, flora y
fauna. Una de las etapas más problemática es el transporte, tanto marítimo
como terrestre.
Combustibles fósiles: GAS NATURAL
El gas natural es una mezcla homogénea, en
proporciones variables de hidrocarburos. Su
principal componente es el metano, además
también posee etano, propano y otras
impurezas..
El gas natural está asociado casi siempre a los
yacimientos de petróleo, sin embargo, hay
pozos que proporcionan solamente gas natural.
Dióxido de
Sulfuro de carbono; Butano; 1
10
hidrógeno;
15
Propano;
1
Etano; 3
Nitrógeno;
1
El gas se almacena en grandes depósitos
llamados gasómetros y posteriormente se
Composición gas natural
conduce mediante tuberías (gasoductos) o
licuado (en camiones cisternas) a los lugares de consumo.
El principal uso del gas natural es como combustible pero se emplea también para fabricar
numerosos productos químicos.
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Metano;
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Gas natural húmedo y seco
Antes de emplear el gas natural como combustible se extraen los hidrocarburos
más pesados, como el butano y el propano. El gas constituido por los
hidrocarburos menos pesados (metano en su mayor parte y etano) es el
llamado gas seco y se distribuye a usuarios domésticos e industriales para su uso
como combustible. La fracción de gas restante, compuesto por hidrocarburos de
peso
molecular
más
alto,
es
el
llamado gas
húmedo.
PRODUCCIÓN DE GAS NATURAL
POR PAISES (en %)
Gas natural y medio ambiente:
El gas natural es el combustible fósil con menor impacto medioambiental de
todos los utilizados, tanto en la etapa de extracción, elaboración y transporte,
como en la fase de utilización.
Tiene menores emisiones de gases
contaminantes (SO2, CO2, NOx y
CH4) por unidad de energía
producida.
Gas esquisto o gas pizarra: es un hidrocarburo en estado gaseoso que se
encuentra en la formaciones rocosas sedimentarias de grano muy fino. Este tipo
de gas natural se extrae de zonas profundas en terrenos donde abunda
el esquisto que es una roca de baja permeabilidad. Para la extracción comercial
de dicho gas, es necesario fracturar la roca hidráulicamente, técnica conocida
como fracking.
Para poder llegar al gas se realizan grandes perforaciones que alcanzan
profundidades de hasta 5.000 metros. Una vez se ha excavado en vertical,
comienza una prolongación del pozo en horizontal. A través de esta estructura se
inyectan dos elementos: agua con arena (u otro apuntalante) y una serie de
aditivos químicos. La introducción de esta mezcla, a gran presión, fractura la roca
y hace que se libere el gas. Éste asciende a la superficie junto a los aditivos,
minerales o líquidos existentes en la roca.
A este proceso se le critica por:



Movimientos sísmicos
Contaminación de aguas subterráneas
Emisión de gases de efecto invernadero (metano)
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Ejercicios:
5. Para calentar un depósito de agua de 2000 litros, se han utilizado 1,6 litros de gasóleo. Calcula
el incremento de temperatura del agua, si el rendimiento del proceso es del 80%.
Pc (gasoleo) =10300 Kcal/Kg
densidad del gasoleo = 0,7 kg/l
Calor específico del agua = 1 Kcal / Kg.ºC
Energía nuclear:
La energía nuclear es la energía proveniente de reacciones nucleares, o de la
desintegración de algunos átomos, como consecuencia de la liberación de la energía
almacenada en el núcleo de los mismos.
Conceptos previos:

Isótopos: son a los átomos de un mismo elemento, cuyos núcleos tienen
el mismo número de protones, pero una cantidad diferente de neutrones, y
por lo tanto, difieren en masa atómica (suma de protones y neutrones).
Ej: los isótopos del hidrógeno son protio 1H (0 neutrones, 1 protón),
deuterio 2H (1 neutrón, 1 protón) y tritio 3H (2 neutrones, 1 protón).

Los isótopos radiactivos son isótopos que tienen un núcleo
atómico inestable y emiten energía y partículas cuando se transforman en un
isótopo diferente más estable

Uranio: es un elemento químico metálico de color plateado-grisáceo,
su número atómico es 92 (92 protones y 92 electrones) Su núcleo puede
contener entre 142 y 146 neutrones, sus isótopos más abundantes son
el 238U (146 neutrones) y el 235U (143 neutrones).
En la naturaleza se presenta en muy bajas concentraciones en rocas,
tierras, agua y los seres vivos. Para su uso el uranio debe ser extraído y
concentrado a partir de minerales que lo contienen. Las rocas son tratadas
químicamente para separar el uranio.
El 235U se utiliza como combustible en centrales nucleares y en algunos
diseños de armamento nuclear, ya que es el isótopo que fisiona y produce
neutrones
El uranio natural está formado por tres tipos de isótopos: uranio238 (238U), uranio-235 (235U) y uranio-234 (234U). De cada gramo de uranio
natural el 99,284 % de la masa es uranio-238, el 0,711% uranio-235 y
0,0085% uranio-234
Para producir combustible, el uranio natural es separado en dos porciones.
La
porción
combustible
tiene
más 235U
que
lo
normal,
denominándose uranio enriquecido, mientras que la porción sobrante, con
menos 235U que lo normal, se llama uranio empobrecido. El uranio
empobrecido es el menos radiactivo y el enriquecido el más radiactivo.
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PRODUCCIÓN DE URANIO POR
PAISES (en %)
Reacciones nucleares de fisión
Recibe el nombre de fisión una reacción en la cual un núcleo pesado ( 235U ), al
bombardearlo con neutrones, se descompone en dos núcleos más ligeros, con
gran desprendimiento de energía y la emisión de dos o tres neutrones, que, a
su vez, pueden ocasionar más fisiones, al interaccionar con nuevos núcleos
fisionables, y así sucesivamente. Este efecto multiplicador se conoce con el
nombre de reacción en cadena.
Cs 140
neutrón
U 235
Energía
neutrón
neutrón
Rb 92
Si se logra que sólo uno de los neutrones liberados produzca una fisión
posterior, el número de fisiones que tienen lugar por segundo permanece
constante y la reacción está controlada. Este es el principio de funcionamiento
en el que están basados los reactores nucleares, que son fuentes controlables
de energía nuclear de fisión.
En una central nuclear, el combustible es óxido de uranio ligeramente
enriquecido en el isótopo 235 U, con un grado de enriquecimiento que oscila
entre el 3-5%. Como en una central térmica clásica, se transforma la energía
liberada por el combustible , en forma de calor, en energía mecánica y
después en energía eléctrica. El calor producido por el combustible permite
evaporar agua que acciona una turbina la cual lleva acoplado un alternador.
El vapor que alimenta esta turbina puede ser producido directamente en el
interior de la vasija del reactor (en los reactores de agua en ebullición BWR ) o
en un cambiador denominado generador de vapor (en los reactores de agua a
presión PWR ).
Componentes de una central nuclear de fisión:


Reactor nuclear:
-
Tubos de acero inoxidable: en los que se introduce el combustible
(pastillas de uranio)
-
Barras de control: regulan la cantidad de escisiones mediante barras
de carburo de boro que absorben los neutrones.
-
Moderador: reduce la velocidad de los neutrones. Se utiliza agua
pesada (deuterio), agua ligera (protio), berilio o grafito
Turbina: transforma la energía térmica del vapor de agua en energía
mecánica de rotación
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 Condensador: es un intercambiador de calor

Edificio de almacenamiento y manipulación: se fabrican de hormigón y
se utilizan como depósitos de combustible y de residuos radiactivos.

Circuito de refrigeración / generador de vapor: un líquido refrigerante
(deuterio, protio o helio) se utiliza para evacuar el calor del reactor y
transformarlo en vapor de agua para llevarlo a las turbinas.
Tipos de centrales nucleares: PWR y BWR

PWR (Reactor de agua a presión): se emplea agua ligera (agua normal) a
presión como moderador y refrigerante.. El refrigerante circula por el núcleo
del reactor de modo que el agua se calienta (no alcanza nunca la
ebullición), y va a un intercambiador de calor (generador de vapor), donde
se genera el vapor que alimenta al grupo turbina-alternador. Tras pasar por
la turbina, el vapor se enfría en un condensador, donde se tiene
nuevamente agua líquida que es bombeada nuevamente hacia el generador
de vapor

BWR (Reactor de agua en ebullición): se emplea agua ligera a presión
como moderador y refrigerante. El refrigerante alcanza la temperatura de
ebullición al pasar por el núcleo del reactor. Parte del líquido se transforma
en vapor y éste se conduce directamente hacia el grupo turbina-alternador
sin necesidad de emplear un generador de vapor. Tras esto el vapor que
sale de la turbina pasa por un condensador que lo enfría obteniéndose
nuevamente agua líquida, la cual es impulsada mediante bombas de nuevo
hacia el interior de la vasija que contiene el núcleo
Central
PWR
Central
BWR
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Energía nuclear y medio ambiente.


No produce humo ni dióxido de carbono, ni favorece el efecto
invernadero; en consecuencia, resulta útil como sustituto de los
combustibles fósiles.
El principal problema de las centrales nucleares lo constituyen los
residuos radiactivos
Centrales nucleares en España:
En España se encuentran en funcionamiento 6 centrales nucleares, todas ellas en la península,
2 de las cuales disponen de 2 reactores cada una (Almaraz y Ascó), por lo que suman 8
reactores de agua ligera, con una potencia total instalada de 7.728 MWe.
Central
Emplazamiento
Tipo
Año entrada
en servicio
Sta.María Garoña
Burgos
B.W.R.
1971
Almaraz I
Cáceres
P.W.R.
1981
Ascó I
Tarragona
P.W.R.
1983
Almaraz II
Cáceres
P.W.R.
1983
Cofrentes
Valencia
B.W.R.
1984
Ascó II
Tarragona
P.W.R.
1985
VandellósII
Tarragona
P.W.R.
1987
Trillo
Guadalajara
P.W.R.
1988
Reacciones nucleares de fusión:
La fusión nuclear es una reacción nuclear en la que dos
núcleos de átomos ligeros, en general el hidrógeno y sus
isótopos (deuterio y tritio), se unen para formar otro
núcleo más pesado, liberando una gran cantidad de
energía.
Para efectuar las reacciones de fusión nuclear, se deben cumplir los
siguientes requisitos:
 Para que tengan lugar estas reacciones debe suministrarse a los
núcleos la energía cinética necesaria para que se aproximen los
núcleos reaccionantes, venciendo así las fuerzas de repulsión
electrostáticas. Para ello se necesita calentar el gas hasta
temperaturas muy elevadas (107 ó 108 ºC ), como las que se supone
que tienen lugar en el centro de las estrellas
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El gas sobrecalentado a tan elevadas temperaturas, de modo que
quedan electrones libres y los átomos están altamente ionizados, recibe
el nombre de plasma.

Confinamiento necesario para mantener el plasma a elevada
temperatura durante un tiempo mínimo.
Si el plasma se coloca en un recipiente normal, se enfría rápidamente y
las paredes se volatilizan. Lo que se hace es colocar campos magnéticos
para que el plasma levite.
Producción de energía en España (2010):
Resto; 13,0%
Fuel/Gas oil;
3,4% Carbón; 9,0%
Solar FV; 2,5%
Gas natural;
22,9%
Hidraúlica;
13,2%
Eólica; 14,9%
Nuclear;
21,5%
Ejercicios:
6. El rendimiento de una central nuclear es del 33% y de una central térmica del 30%. Calcula la
energía que producirían si quemasen 1 kg de uranio o 1 Kg de antracita. respectivamente.
Pc (antacita) =8000 Kcal/Kg
c = 3 . 108 m/s
7. Calcula qué cantidad de masa se habrá perdido en una reacción de fisión si se han obtenido
106 Mcal, con un rendimiento del 33%
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